文23储气库注采管柱接头密封性能指标研究*

王建军，孙建华，李方坡，鲍志强，陈朝晖，郭 浩

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077；2.中石化中原储气库有限责任公司 河南 濮阳 457000)

0 引 言

文23储气库地处中国中原腹地，设计注采井在百口以上，有效工作气量可达45亿方，以季节调峰和平衡管网压力为主，具有重要的战略地位。目前文23储气库气藏处于枯竭阶段，建成注气后地层压力会迅速提高至0.9，采气后又会逐步降低至0.7左右，而作为注采气关键通道的注采管柱，不仅承受着这种注采压力的交替变化，还承受着注采温度的交替变化，导致注采管柱在拉伸、压缩载荷下循环受载，另外服役年限超过30年，故依据SY 6805—2010《油气藏型地下储气库安全技术规程》和SY/T 6848—2012《地下储气库设计规范》对储气库注采管柱提出应选用气密封螺纹接头。但众多气密封螺纹接头的密封性能存在差异[1-2]，尤其是气密封螺纹接头的抗压缩能力[3]。

结合文23储气库注采管柱结构和服役工况，计算获取了文23储气库注采管柱载荷谱，进一步提出了文23储气库注采管柱气密封螺纹接头的最低技术指标要求，并通过全尺寸模拟试验进行验证。

1 文23储气库注采工况

依据文23储气库设计资料，知注采管柱主要使用Φ88.9 mm×6.45 mm油管柱，同时可获取到注采管柱主要结构参数和周围环境参数，见表1。

表1 文23储气库注采管柱结构和服役环境参数

2 注采管柱载荷分析

2.1 注采管柱载荷计算模型

文23储气库注采管柱主要承受内压力、外压力和轴向力，内压力主要为注气压力和采气压力交变，外压力主要来自油套环空保护液静液柱压力。注采管柱轴向力主要来自油管下入、坐封等以及因温度效应、活塞效应、膨胀效应、屈曲效应而产生的轴向力[4-5]，另外在注气、采气过程中气体流动产生的摩阻作用在管体内壁带来的轴向力。

因注采管柱接头性能标准参数主要为拉伸效率和压缩效率[6]，其选用是否安全，与承受的轴向载荷密切相关，考虑到文23储气库注采管柱采用永久式封隔器，根据SY/T 7370《地下储气库注采管柱选用与设计推荐做法》标准，知注采管柱所受到的有效轴向力计算公式如下：

Fe=F1+F2+F3+F4+F5

(1)

当注采气过程中，坐封后管柱因应力松弛使原始轴向力丧失，即F1=0，此时有效轴向力为：

Fe=F2+F3+F4+F5

(2)

当注采气过程中，考虑最大压力降ΔPf=psmax-psmin(纯压降)，得最大摩阻力：

(3)

则，有效轴向力为：

(4)

(5)

2.2 注采管柱载荷谱分析

按照表1中各项参数，根据SY/T 7370标准要求分三种注采工况(注气初始、采气运行、注气运行)，利用以上公式，可计算获得文23储气库注采管柱轴向载荷变化情况，结果如图1所示。因封隔器以下管柱自由(约束改变)，以封隔器为界限，管柱受力方向出现拐点，但最大载荷均出现在封隔器以上管柱段，因此重点分析封隔器以上管柱受力情况。按照管柱有效轴向力(1)式、考虑应力松弛时有效轴向力(2)式、考虑纯压降时有效轴向力(4)式、考虑纯压降且应力松弛时有效轴向力(5)式等四种情况计算全井段注采管柱载荷变化，结果如图1所示。

图1 注采管柱有效轴向力随井深变化规律

从图1中发现，在注气过程中，管柱拉伸载荷随井深增加而增大；在采气过程中，管柱压缩载荷随井深增加而减小。若要获得管柱最大载荷变化，则需注气时不考虑应力松弛(1)式，采气时考虑应力松弛(2)式，同时考虑纯压降(注气为(4)式，采气为(5)式可获得管柱极限载荷变化。即各种情况下管柱承受的载荷，属考虑纯压降时的载荷最大。

现把图1中各种注采工况下的最大载荷提取之后列入表2中，发现注采管柱接头最低要承受645.29 kN拉伸载荷和534.05 kN压缩载荷的能力；进一步把表2中的拉伸、压缩最大载荷值与ISO/TR 10400—2018中规定的Φ88.9 mm×6.45 mm N80Q油管额定抗拉强度921 kN进行比较，可以获得实际载荷比(表2)，说明注采管柱接头的拉伸效率不能低于70.06%、压缩效率不能低于57.92%。

结合SY/T 7370中要求接头抗拉伸安全系数1.30、抗压缩安全系数1.00，同时考虑到目前市场上主要气密封螺纹接头的拉伸效率均达到100%，最终提出文23储气库注采管柱接头选用技术指标值为接头拉伸效率100%、接头压缩效率不小于60%。

表2 注采作业过程管柱最大载荷变化

3 试验验证

为了检验上述接头选用技术指标值的有效性，同时也为了保障文23储气库注采管柱安全，选用市场上已有的Φ88.9 mm×6.45 mm N80Q T型气密封螺纹油管进行全尺寸实物模拟试验评价，该油管接头拉伸效率为100%、压缩效率为60%。

若每年1个注采周期，则每年管柱载荷按照拉伸/压缩载荷交变1次(如图1中虚线所示，顺时针方向)，30年则有30次这种载荷交变。故在ISO 13679标准[9]基础上改进试验程序，分析拉压交变载荷下Φ88.9 mm×6.45 mm N80Q T型油管30周次气密封螺纹套管密封性能。

结合表2载荷值并考虑一定安全系数，试验过程中拉伸载荷施加至782 kN(85%额定抗拉强度)，压缩载荷施加至552 kN(60%额定抗拉强度)，内压施加至50 MPa。即该T型气密封螺纹油管在50 MPa内压下经过782 kN拉伸→552 kN压缩→782 kN拉伸→552 kN压缩→782 kN拉伸→……等如此往返试验加载30次循环后，管柱未发生泄漏，试验结果如图2所示。

图2 Φ88.9 mm×6.45 mm N80Q T型油管多周次气密封循环试验结果

试验结果说明2.2节给出的文23储气库注采管柱接头技术指标值是合理可行的，而且试验载荷高于注采运行工况载荷，具有一定的安全余量。

4 结 论

1)文23储气库可按SY/T 7370标准载荷计算方法，获取注采管柱承受的最大拉伸载荷和最大压缩载荷，并据此选择相应性能的气密封螺纹接头。

2)依据文23储气库注采管柱载荷变化，提出其注采管柱接头选用技术指标值应为接头拉伸效率100%、接头压缩效率不小于60%。

3)对选用的气密封螺纹油管经30周次气密封循环试验证实文23储气库注采管柱接头选用技术指标的合理有效，且具有一定的安全余量。

4)研究结果为文23储气库注采管柱设计提供了依据，也为其他储气库注采管柱接头选用提供了理论借鉴。